Piller (4) En ideali Lityum İon Piller mi?

 Mehmet Nuri ŞENOCAK, TA/N4MNS
 17 Haziran 2010

Lityum, metaller arasında ağırlık olarak en hafif olanıdır ama buna karşılık olarak diğer pillerle karşılaştırıldığında benzer ağırlıkta olan diğerlerine oranla çok yüksek enerji verebilir. Ayrıca elektrokimyasal özellikleri açısından da çok parlak bir gelecek beklendiğini söyleyebiliriz. Tekrar şarj edilebilen lityum pil geliştirmek için yapılan ilk araştırmalar güvenlik nedenleri ile yarım bırakıldı. Lityum metalinin doğal yapısında bulunan dengesizlik bilhassa şarj sırasında ortaya çıkıp tehlikeli sonuçlar doğuruyordu. Bu yüzden araştırmalar metal bileşimli lityum pillerden metal olmayan ve bileşiminde lityum iyonu kullanan pillere kaydı.

Lityum metaline kıyasla daha düşük enerji yoğunluğuna sahip olan lityum-iyon buna karşılık olarak, tabi ki doldurulması ve kullanımı sırasında bazı önlemler alınması karşılığında, daha güvenli idi. 1991 de Sony Corporation ilk ticari lityum pili piyasaya sürdü ve kısa bir zamanda diğer üreticiler de onu takip ettiler. Lityum-iyon pillerin enerji yoğunluğu standart nikel-kadmiyum pillerin yaklaşık iki katı ve araştırmalarla bu enerji yoğunluğunun daha da yoğunlaştırılabilineceği öngörülüyor. Yük altındaki nitelikleri iyi ve deşarj altında nikel-kadmiyumlarla benzeşen bir davranış biçimleri var. 3.6 Volt olan hücre gerilimleri tek hücreli pillerin yapılmasına olanak veriyor.

Bugün kullandığımız cep telefonlarının çoğunluğu tek hücreden oluşan pillerle çalışıyor. Aynı pil nikel-kadmiyum ile üretilse üç adet hücrenin seri bağlanması gerekecekti.

Lityum-iyon diğer bütün pil gurupları ile kıyaslandığında en az bakım gereksinimi olan pil olarak açık farkla önde geliyor. Nikel serisinin aksine lityumlarda hafıza özelliği bulunmuyor ve ömrünü uzatmak için belirli aralıklarla deşarj-şarj döngüsü uygulanmasını gerektirmiyor. Buna ek olarak ta kendi kendine deşarj olma hızları nikel-kadmiyum pillerin yarısından da az, bu yüzden düşük akım ve uzun dayanıklılık gerektiren devrelerde özellikle kullanılıyor. En son özelliği ise çevreye en az zarar veren kimyasal ve metalleri içermesi.

Bütün bu artıların yanında hiç eksinin olmaması imkansız tabi ki. Öncelikle yapı olarak narin ve kırılgan olan lityum-iyon pillerin şarjı da sorunlu. Güvenli olarak şarj edilebilmeleri için mutlaka özel koruma devresi gerektiriyor. Pil gurubunun içine eklenen bu devre hem şarj sırasında pile uygulanan gerilimi sınırlıyor hem de kullanım sırasında pil geriliminin belirli bir seviyenin altına düşmesine izin vermiyor. Ayrıca pillerin ısısı da hem şarj hem de deşarj sırasında kontrol edilip normal olmayan yükselişlerde pilin bağlantısı kesilerek ısının tehlikeli olacak derecelere yükselmesinin önüne geçiliyor. İzin verilen en yüksek şarj ve deşarj akımı çoğunlukla pilin nominal akım değerine eşit ya da 2 katı olabiliyor. Bütün bu önlemlerin alınması ile aşırı şarjın doğurabileceği kutupların lityum kaplanarak işlevlerini yitirme tehlikesinin önüne geçilebiliniyor.

Hızlı yaşlanma bu tip pillerde en büyük sorun ve nedense üreticiler bu konuda sessiz kalmayı yeğliyorlar. Kullanılmasa bile bazı pillerde dikkat edilecek oranda bir  verim düşmesi pil birinci yılını doldurduğunda  ortaya çıkmaya başlayabiliyor. Ama iki veya üç yıldan sonra lityum-iyon piller kesin bir şekilde sık sık problem yaratmaya başlıyorlar. Ama bu özelliğin sadece lityum-iyon pillerde olduğunu söyleyerek haksızlık etmeyelim, diğer pil guruplarında da yaş ile bağlantılı verimlilik kayıpları oluyor. Bilhassa  nikel-metal hidrit piller yüksek ısı altında bırakıldığında bu belirgin olarak görülebiliyor. Öte yandan bazı lityum-iyon pillerin bazı uygulamalarda, çok ender olarak, beş yıl çalıştığı da bilinen bir gerçek.

Lityum-iyon pillerdeki araştırmalar ve gelişim henüz sona ermiş değil. Nerede ise yaklaşık her altı ayda bir yeni bir kimyasal bileşim içeren türü piyasaya çıkıyor. Bu hızlı gelişim ile lityum-iyon teknolojisinin ne kadar gelişebileceği ve nerelere gelebileceğini bu günden tam olarak kestirebilmek çok güç.

Bütün pil guruplarında olduğu gibi lityum-iyon pillerdeki yaşlanma etkisi de serin yerlerde saklandıklarında yavaşlama gösteriyor. Üreticilerin salık verdiği saklanma ısısı 15°C. Buna ek olarak ta pilin saklanma süresince kısmen şarjlı tutulması da öngörülüyor ve bunun için üreticilerin salık verdiği değer ise %40 doluluk oranı.

18650

Piyasadaki en fiyat/enerji orantısına göre ekonomik lityum-iyon pil silindir biçimindeki 18650 olarak bilinen tip. Bildiğimiz AA tipi pil görünüşünde olan bu pillerin çapı 18mm ve uzunluğu ise 65mm. Bu tip pil özellikle dizüstü bilgisayarlar gibi inceliğin önemli olmadığı uygulamalarda kullanılıyor.

Prizmatik pil 1 Prizmatik pil 2
Eğer ince bir tasarım gerekiyorsa o zaman prizmatik lityum-iyon hücreleri tercih ediliyor. Ama tabi ki bu incelik yanında sağladıkları enerjiye kıyasla daha yüksek bir fiyat etiketi getiriyor.
 
Üstünlükleri
  • Yüksek enerji yoğunluğu – ve daha yüksek yoğunluğa çıkabilme olasılığı.
  • İlk şarjı daha uzun zaman gerektirmiyor. Normal şarj ile çalışmaya başlıyor.
  • Düşük seviyede kendi kendine boşalma – nikel içerikli pillerin yarısından daha düşük kendi kendine boşalma hızı.
  • Çok az bakım gereksinimi – belirli sürelerle şarj-deşarj döngüsü gerektirmez, hafıza etkisi yoktur.
  • Özel yapılmış lityum piller yüksek akım gerektiren, el aletleri gibi, uygulamalara cevap verebilir.

 Zayıf noktaları

  • Şarj ve deşarj sırasında akım ve gerilimi güvenli sınırlarda tutabilmek için koruma devresi gerektirir.
  • Kullanılmadığı zamanlarda bile yaşlanma etkisi devam eder – yaşlanma etkisini yavaşlatmak için saklanırken %40 şarjlı olarak serin bir yerde tutulmalıdır.
  • Taşıma sınırlamaları – yüksek miktarlarda bir noktadan diğer bir noktaya taşınabilmesi için özel izin alınması gerekebilir. Bu sınırlamalar kişisel kullanım için kişi yanında taşınan pilleri kapsamaz. (son bölümü okuyun)
  • Yüksek maliyetli üretim – nikel-kadmiyum pillerden yaklaşık 40 daha yüksek maliyetle üretilebiliyor.
  • Tam oturmamış teknoloji – kullanılan metal ve kimyasallar için kesin bir standart oluşturulamadı ve ideal bileşimi bulabilmek için pillerin içeriği devamlı değiştiriliyor.

 Lityum Polimer pil

Kullanılan elektrolitik içeriği açısından lityum-polimer piller diğer pillerden farklılıklar gösterir.  1970’lerde il yapılan tiplerinde katı polimer elektrolitik kullanılıyordu. Bu plastiğe benzer film tabakasından oluşan elektrolit elektriği iletmiyor ama iyon (elektrikle yüklenmiş atomlar veya atom gurupları) değişimine izin veriyordu.Bu çözüm daha önceleri kullanılan elektrolite bandırılmış süngerimsi ayırıcının yerini aldı.

Kuru polimer tasarımının üretim, dayanıklılık, güvenlik ve boyutların küçültülmesinde bir sürü kolaylıklar getirdiğini kolaylıkla söyleyebiliriz. 1mm kadar inebilen hücre kalınlığı ile artık tasarımcılar cihazlarında pillerin ne şekilde olacağı ve nasıl yerleştirecekleri konusunda kafa yormaktan kurtulduklarını rahatlıkla söyleyebiliriz. 

Ama yaşamın kurallarını bilirsiniz, hiçbir şey karşılıksız değildir, ve bu kural da burada o kadar kolaylıktan sonra karşımıza kötü iletkenlik olarak çıkıyor. Polimer piller ne yazık ki günümüzün modern iletişim cihazlarının ve taşınabilir bilgisayarların gerektirdiği ani yüksek akım gereksinmelerine yüksek iç dirençleri nedeni ile cevap veremiyorlar. Unfortunately, the dry lithium-polymer suffers from poor conductivity. Pilin çalışma ısısını 60°C’a çıkarmak iç direncin azalmasına etkili oluyor ama kabul edersinizki elinizde ya da cebinizde bu kadar sıcak bir şeyi taşımak size fazla güven vermeyecektir.

Bu sorunu aşmak için zamanla pillerin içinde jöleleştirilmiş elektrolitler kullanılmaya başlandı. Bu gün piyasada bulunan pil hücrelerinde poiletilen veya poliüretandan yapılan süngersi ayırıcılar kullanılıyor. Bu süngersi yapının içi polimer ile dolduruluyor ve polimer hücrenin içine elektrolitik doldurulduğunda onu emerek jöle haline geliyor. Kimyasal olarak sıvı elektrolit kullanan piller ile jöle kullananlar arasında hiç bir farklılık yoktur.

Lityum-iyon-polimer piller düşünülenin aksine piyasada beklenen ilgiyi yaratamadı. Bunun nedeni ise hem üretim maliyetlerinin düşürülememiş olması hem de elde edilen pilin diğer guruplar ile karşılaştırıldığında her hangi bir üstünlüğünün olmaması. Lityum-iyon-polimer piller günümüze kadar yapılan araştırmalarda hala elde edilebilen güç olarak lityum-iyon pillerin gerisinde kalmakta ve bu nedenle kullanımı ancak çok ince yapılı pillerin gerektiği kullanım sahaları ile sınırlı kalıyor. Bunlara örnek olarak kredi kartı içine konan piller ve çok ince cep telefonlarını gösterebiliriz.


Üstünlükleri

  • Çok ince bir kesit – günümüzde bir kredi kartının içine konabilecek kalınlığa inilebilindi.
  • Esnek fiziki yapı – üreticiler artık standart pil yapıları (silindirik, kübik, AA, AAA)  ile sınırlı değiller, eğer üretilecek sayı yüksek ise her şekilde pili ekonomik olarak üretmek olası.
  • Hafif (tüysıklet Embarassed) – jöle elektrolitler sıvı elektrolitlerin gerektirdiği güvenli metal kutu gereksinimi ortadan kaldırarak basit bir hale getiriyor.
  • Gelişmiş güvenlik – fazla şarja daha dayanıklı; elektrolit sızıntısı yapmıyor

 Zayıf noktaları

  • Lityum-iyon piller ile kıyaslandığında daha düşük enerji yoğunluğu ve daha az şarj-deşarj döngüsü.
  • Standart boyutlarda bulunmuyor. Çoğunlukla cihaz üreticilerinin özel şekil ve sığa  isteklerine göre üretiliyor.
  • Maliyet/enerji orantısı lityum-iyon pillerden daha yüksek, pahallı.

 Uçak yolculuklarında lityum bileşimleri için getirilen sınırlamalar

“Yanıma kaç tane lityum pil alabilirim” sorusu batıda uçak yolcularının en çok sorduğu şeydir. Buna cevap verirken lityum-metal ve lityum-iyon pilleri ayrı olarak ele almamız gerekir.

Çoğunlukla lityum metal piller şarj edilemez ve fotoğraf makinelerinde kullanılırlar.

Lityum-iyon’lar ise şarj edilebilirler ve video kamera, sayısal fotoğraf makineleri, cep telefonları ve dizüstü bilgisayarlarda kullanılır.

Yolcu beraberi olarak izin verilen miktar şöyle;
– lityum-metal veya lityum alaşımlı pillerde bütün pillerin toplamında 2 gram lityum içerik 
– lithium-ion pillerde bütün pillerin toplamında 8 gram lityum içerik

Eğer özel olarak ambalajlanmış ve koruma devresi içeriyorlarsa, iki adet yedek pili aşmama şartı ile, lityum-iyon pillerde lityum içeriği 8 gramı geçebilir ama en üst sınır 25 gram olabilir.

Bu güne kadar yukarıdaki kuralları ne duymuş ne de uygulandığına tanık olmuşsunuzdur, ama bunlar hava taşımacılığının kurallar kitabından alınma, bilginiz olsun.

Peki yanımdaki pillerin lityum içeriklerinin ağırlığını nereden bilebilirim?
Teorik olarak lityum-iyon pillerin içinde lityum metali yoktur. Ama lityum bileşik halinde bulunur ve bunun ağırlığını hesaplamak için de kapasite (amper-saat)x0,3 formülü kullanılır.

Örnek: 2Ah’lik bir 18650 Li-ion hücresi 0.6 gram lityum içerir. 60 Wh’lik bir dizüstü bilgisayar pili 8 hücreden (4’erli 2 seri paralel bağlı) oluşur ve 8 gramlık sınırın altında kalabilmek için pil gücünüzün 96 Wh’in altında olması gerekir. Böyle bir pilde 2,2 Ah’lik pillerin 12 hücrelik bir şekilde (4’erli 3 seri paralel bağlı) olması gerekir. eğer 2,4 Ah’lik hücre kullanılacaksa bu sefer 9 hücrelik (4’erli 3 seri paralel bağlı) pil olması gerekir.

Kafanız iyice karıştı değil mi!, benim de. Bugüne kadar yaptığım uçak yolculuklarının hiç birinde “kaç gram lityum taşıyorsun” sorusu ile karşılaşmadığım için kendimi şanslı hissediyorum. Yoksa kalem kağıt, kenara oturup hesap yaparken uçağı kaçırmam mutlak olurdu.

Ticari olarak büyük miktarda lityum-iyon pillerin taşınmasında uygulanacak kurallar

  • Hava, kara ve deniz yolu ile büyük miktarda lityum içerikli pil yollayanlar bu metallerle ilgili taşıma kurallarına uymak zorundadırlar.
  • Hücrede 1,5 gramı ve pil halinde 8 gram lityum içeriğini geçen piller “9. Sınıf, çeşitli tehlikeli madde” olarak taşınmalıdır.
  • Eğer içerik 8 gramın altında ise bu kurala uyulması zorunlu değildir, Ama bu sefer de taşınan miktar 24 lityum-iyon hücresini veya 12 lityum-iyon pilini geçerse her koli içinde lityum bulunduğunu gösterir şekilde işaretlenmeli ve taşıma belgelerinde bu içerik belirtilmelidir.
  • Bütün lityum-iyon piller UN 3090 (Birleşmiş Milletler, UN manual of Tests and Criteria, Bölüm III, altbölüm 38.3) belgesinde belirtilen kurallara göre test edilip onaylanmış olmalı.
  • Hücreler ve piller birbirlerine değip kısa devre yaratmayacak şekilde paketlenmeli ve paketler darbe ve dış etkenlere dayanıklı olmalıdır.

Kaynak:
Isidor Buchmann, Cadex Electronics Inc., Vancouver BC., yönetim kurulu başkanı.

 

Yazı hakkında görüşlerinizi belirtmek istermisiniz?